Quando la sonda solare Parker della NASA ha inviato le prime osservazioni dal suo viaggio verso il Sole, gli scienziati hanno trovato segni di un oceano selvaggio di correnti e onde abbastanza diverso dallo spazio vicino alla Terra molto più vicino al nostro pianeta. Questo oceano era pieno di quelli che divennero noti come tornanti:rapide inversioni nel campo magnetico del Sole che invertevano la direzione come una strada di montagna a zig-zag.

Gli scienziati pensano che mettere insieme la storia dei tornanti sia una parte importante della comprensione del vento solare, il flusso costante di particelle cariche che fluisce dal Sole. Il vento solare corre attraverso il sistema solare, plasmare un vasto sistema meteorologico spaziale, che studiamo regolarmente da vari punti di osservazione intorno al sistema solare, ma abbiamo ancora domande di base su come il Sole riesca inizialmente a sparare questa raffica di due milioni di miglia all'ora.

I fisici solari sanno da tempo che il vento solare è disponibile in due tipi:il vento veloce, che viaggia a circa 430 miglia al secondo, e il vento lento, che viaggia più vicino a 220 miglia al secondo. Il vento veloce tende a provenire da buchi coronali, macchie scure sul Sole piene di campo magnetico aperto. Il vento più lento emerge dalle parti del Sole dove i campi magnetici aperti e chiusi si mescolano. Ma c'è ancora molto da imparare su cosa spinge il vento solare, e gli scienziati sospettano che i tornanti - getti veloci di materiale solare disseminati su di esso - contengano indizi sulle sue origini.

Dalla loro scoperta, i tornanti hanno scatenato una raffica di studi e dibattiti scientifici mentre i ricercatori cercano di spiegare come si formano gli impulsi magnetici.

"Questo è il processo scientifico in atto, "ha detto Kelly Korreck, Scienziato del programma di eliofisica presso la sede della NASA. "Ci sono una varietà di teorie, e man mano che otteniamo sempre più dati per testare quelle teorie, ci avviciniamo a capire i tornanti e il loro ruolo nel vento solare".

Fuochi d'artificio magnetici

Da un lato del dibattito:un gruppo di ricercatori che pensano che i tornanti abbiano origine da una drammatica esplosione magnetica che si verifica nell'atmosfera del Sole.

Segni di ciò che ora chiamiamo tornanti sono stati osservati per la prima volta dalla missione congiunta NASA-Agenzia spaziale europea Ulysses, la prima navicella spaziale a sorvolare i poli del Sole. Ma quando decenni dopo i dati arrivarono da Parker Solar Probe, gli scienziati sono rimasti sorpresi di trovarne così tanti.

Mentre il Sole ruota e i suoi gas surriscaldati si agitano, i campi magnetici migrano intorno alla nostra stella. Alcune linee del campo magnetico sono aperte, come nastri che ondeggiano al vento. altri sono chiusi, con entrambe le estremità o "punti di piede" ancorati al Sole, formando anelli che corrono con materiale solare rovente. Una teoria, inizialmente proposta nel 1996 sulla base dei dati di Ulisse, suggerisce che i tornanti siano il risultato di uno scontro tra campi magnetici aperti e chiusi. Un'analisi pubblicata lo scorso anno dagli scienziati Justin Kasper e Len Fisk dell'Università del Michigan esplora ulteriormente la teoria vecchia di 20 anni.

Quando una linea di campo magnetico aperta sfiora un anello magnetico chiuso, possono riconfigurarsi in un processo chiamato riconnessione di interscambio, un riarrangiamento esplosivo dei campi magnetici che porta a una forma di commutazione. "La riconnessione magnetica è un po' come le forbici e un saldatore combinati in uno, "ha detto Gary Zank, un fisico solare presso l'Università dell'Alabama Huntsville. La linea aperta si aggancia all'anello chiuso, liberando un'esplosione di plasma dal circuito, mentre "incolla" i due campi in una nuova configurazione. Quell'improvviso schiocco genera un attorcigliamento a forma di S nella linea del campo magnetico aperto prima che l'anello si richiuda, un po' come, Per esempio, il modo in cui un rapido scatto della mano invierà un'onda a forma di S che viaggia lungo una corda.

Altri documenti di ricerca hanno esaminato come prendono forma i tornanti dopo i fuochi d'artificio della riconnessione. Spesso, questo significa costruire simulazioni matematiche, quindi confrontando i passaggi generati dal computer con i dati di Parker Solar Probe. Se sono una corrispondenza stretta, la fisica utilizzata per creare i modelli può aiutare a descrivere con successo la fisica reale dei tornanti.

Zank ha guidato lo sviluppo del primo modello di tornanti. Il suo modello non ne suggerisce uno, ma durante la riconnessione nascono due fruste magnetiche:una viaggia verso la superficie solare e l'altra sfreccia nel vento solare. Come un filo elettrico formato da un fascio di fili più piccoli, ogni anello magnetico è costituito da molte linee di campo magnetico. "Quello che succede è, ciascuno di questi singoli fili si riconnette, in modo da produrre tutta una serie di tornanti in un breve periodo di tempo, " ha detto Zank.

Zank e il suo team hanno modellato il primissimo tornante osservato da Parker Solar Probe, il 6 novembre 2018. Questo primo modello si adatta bene alle osservazioni, incoraggiando il team a svilupparlo ulteriormente. I risultati del team sono stati pubblicati su The Astrophysical Journal il 26 ottobre, 2020.

Un altro gruppo di scienziati, guidato dal fisico James Drake dell'Università del Maryland, concorda sull'importazione della riconnessione di interscambio. Ma differiscono quando si tratta della natura dei tornanti stessi. Dove altri dicono che i tornanti sono un nodo in una linea del campo magnetico, Drake e il suo team suggeriscono che ciò che Parker sta osservando è la firma di una sorta di struttura magnetica, chiamata corda di flusso.

Nelle simulazioni di Drake, il nodo nel campo non ha viaggiato molto lontano prima di svanire. "Le linee del campo magnetico sono come elastici, a loro piace tornare alla loro forma originale, " ha spiegato. Ma gli scienziati sapevano che i tornanti dovevano essere abbastanza stabili da viaggiare fino a dove Parker Solar Probe poteva vederli. D'altra parte, le funi di flusso, che si pensa siano componenti fondamentali di molte eruzioni solari, sono più robuste. Immagina un bastoncino di zucchero a strisce magnetiche. Questa è una corda di flusso:strisce di campo magnetico avvolte attorno a un fascio di più campo magnetico.

Drake e il suo team pensano che le corde di flusso potrebbero essere una parte importante per spiegare i tornanti, poiché dovrebbero essere sufficientemente stabili da viaggiare fino al punto in cui Parker Solar Probe li ha osservati. Il loro studio, pubblicato in Astronomia e Astrofisica l'8 ottobre 2020:getta le basi per la costruzione di un modello basato su funi di flusso per descrivere le origini dei tornanti.

Ciò che questi scienziati hanno in comune è che pensano che la riconnessione magnetica possa spiegare non solo come si formano i tornanti, ma anche come il vento solare si riscalda e si lancia fuori dal sole. In particolare, i tornanti sono legati al vento solare lento. Ogni tornante spara una goccia di plasma caldo nello spazio. "Quindi stiamo chiedendo, "Se sommi tutte quelle raffiche, possono contribuire alla generazione del vento solare?'", ha detto Drake.

Andare con il flusso

Dall'altra parte del dibattito ci sono scienziati che credono che i tornanti si formino nel vento solare, come sottoprodotto di forze turbolente che lo agitano.

Jonathan Scudiero, fisico spaziale presso l'Università di Otago in Nuova Zelanda, è uno di loro. Utilizzando simulazioni al computer, ha studiato come le piccole fluttuazioni del vento solare si sono evolute nel tempo. "Quello che facciamo è cercare di seguire un piccolo pacco di plasma mentre si muove verso l'esterno, " disse lo scudiero.

Ogni particella di vento solare si espande mentre sfugge al Sole, che esplode come un palloncino. Le onde che ondeggiano attraverso il Sole creano minuscole increspature in quel plasma, increspature che crescono gradualmente man mano che il vento solare si diffonde.

"Iniziano prima come ondeggiamenti, ma poi quello che vediamo è mentre crescono ancora di più, si trasformano in tornanti, " ha detto Squire. "Ecco perché riteniamo che sia un'idea piuttosto convincente:è semplicemente successo da solo nel modello." sulla scienza solare.

modello di scudiero, pubblicato il 26 febbraio, 2020, suggerisce che i tornanti si formino naturalmente mentre il vento solare si espande nello spazio. Parti del vento solare che si espandono più rapidamente, lui prevede, dovrebbe anche avere più tornanti, una previsione già verificabile con l'ultimo set di dati Parker.

Altri ricercatori concordano sul fatto che i tornanti iniziano nel vento solare, ma sospettano che si formino quando i flussi veloci e lenti del vento solare si sfregano l'uno contro l'altro. Uno studio di ottobre 2020, guidato da Dave Ruffolo alla Mahidol University di Bangkok, Tailandia, delineato questa idea.

Bill Matthaeus, un coautore dell'articolo e fisico spaziale presso l'Università del Delaware a Newark, indica il taglio al confine tra flussi veloci e lenti. Questo taglio tra veloce e lento crea caratteristici vortici visti dappertutto in natura, come i vortici che si formano quando l'acqua del fiume scorre intorno a una roccia. I loro modelli suggeriscono che questi vortici alla fine diventano tornanti, arricciando le linee del campo magnetico su se stesse.

Ma i vortici non si formano immediatamente:il vento solare deve muoversi abbastanza velocemente prima di poter piegare le sue linee del campo magnetico altrimenti rigide. Il vento solare raggiunge questa velocità a circa 8,5 milioni di miglia dal Sole. La previsione chiave di Mattheaus è che quando Parker si avvicina notevolmente al Sole di così, cosa che dovrebbe accadere durante il suo prossimo passaggio ravvicinato a 6,5 ​​milioni di miglia dal Sole, il 29 aprile, 2021:i tornanti dovrebbero scomparire.

"Se questa è l'origine, quindi, quando Parker si sposta nella corona inferiore, questo taglio non può verificarsi, "Matteo ha detto. "Allora, i tornanti causati dal fenomeno che stiamo descrivendo dovrebbero scomparire".

Un aspetto dei tornanti che questi modelli del vento solare non hanno ancora simulato con successo è il fatto che tendono ad essere più forti quando ruotano in una particolare direzione, la stessa direzione della rotazione del Sole. Però, entrambe le simulazioni sono state realizzate con un Sole fermo, non rotante, che può fare la differenza. Per questi modellisti, incorporare la rotazione effettiva del Sole è il passo successivo.

Girando nel vento

Finalmente, alcuni scienziati pensano che i tornanti derivino da entrambi i processi, iniziando con la riconnessione o il movimento del footpoint al Sole, ma crescendo nella loro forma finale solo una volta usciti dal vento solare. Un documento pubblicato oggi da Nathan Schwadron e David McComas, fisici spaziali presso l'Università del New Hampshire e la Princeton University, rispettivamente, adotta questo approccio, sostenendo che i tornanti si formano quando i flussi di vento solare veloce e lento si riallineano alle loro radici.

Dopo questo riallineamento il vento veloce finisce "dietro" il vento lento, sulla stessa linea del campo magnetico. (Immagina un gruppo di corridori su una pista da corsa, velocisti olimpici alle calcagna.) Questo potrebbe accadere in ogni caso dove si incontrano vento lento e vento veloce, ma soprattutto ai confini dei fori coronali, dove nasce il vento solare veloce. Quando i buchi coronali migrano attraverso il Sole, sfrecciando sotto i flussi di vento solare più lento, il footpoint dal vento solare lento si inserisce in una fonte di vento veloce. Il vento solare veloce corre dietro al flusso più lento che lo precede. Alla fine il vento veloce supera il vento più lento, invertendo la linea del campo magnetico e formando un tornante.

Schwadron pensa che anche il movimento dei buchi coronali e delle sorgenti di vento solare attraverso il Sole sia un pezzo chiave del puzzle. Riconnessione al bordo anteriore dei fori coronali, egli propone, potrebbe spiegare perché i tornanti tendono a "zig" in un modo che è allineato con la rotazione del Sole.

"Il fatto che siano orientati in questo modo ci dice qualcosa di molto fondamentale, "Ha detto Schwadron.

Sebbene inizi con il Sole, Schwadron e McComas pensano che quei flussi di riconnessione diventino solo tornanti all'interno del vento solare, dove le linee del campo magnetico del Sole sono abbastanza flessibili da raddoppiare su se stesse.

Mentre Parker Solar Probe si avvicina sempre di più al Sole, gli scienziati cercheranno avidamente indizi che supporteranno o smentiranno le loro teorie. "Ci sono idee diverse che fluttuano in giro, "Ha detto Zank. "Alla fine qualcosa andrà a finire."